Manual de Soldagem

Manual de Soldagem

(Parte 1 de 10)

DDesenvolvimento industrial e tecnologia são duas palavras que não podem ser utilizadas à parte uma da outra. Ambas estarão sempre juntas em qualquer época, em qualquer lugar. Tecnologia pressupõe conhecimento adquirido. Conhecimento, por sua vez, nos lembra livros. É por demais conhecida a carência de literatura técnica especializada e livros produzidos e editados em língua portuguesa.

A AIcan Alumínio do Brasil S/A vem dedicando um grande esforço na diminuição do atraso tecnológico e na ampliação do conhecimento dos engenheiros e projetistas nacionais. A criação de um Centro de Tecnologia de Soldagem em 1986 foi um primeiro passo neste sentido. Criado com a finalidade de prestar serviços de assessoria em práticas e teoria de soldagem para empresas que utilizam o alumínio como matéria-prima, o Centro de Soldagem já efetuou dezenas de palestras técnicas, treinou supervisores, engenheiros e soldadores de diversas empresas.

A soldagem do alumínio, consolidada nos anos 40 nos Estados Unidos e Europa, esteve praticamente desconhecida no Brasil durante muitos anos. A idéia de que não era possível soldar alumínio permaneceu por longos anos em nosso meio industrial.

Até meados da década de 70 a soldagem do alumínio e suas ligas era, no Brasil, uma prática metalúrgica de poucos iniciados. Sua maior aplicação ocorreu deste período em diante e, temos muito orgulho em afirmar que a Alcan Brasil e o Centro de Soldagem em muito contribuíram para isto. Neste trabalho de divulgação dos procedimentos modernos de soldagem do alumínio a maior carência que verificamos era a falta de uma literatura em língua portuguesa.

Os anos de experiência prática acumulada, do constante estudo e atualização teórica e prática de nosso corpo técnico resultaram em algo que nos é muito caro e muito nos orgulha: Um livro.

É este livro que dedicamos e oferecemos à indústria brasileira para atualizar o seu conhecimento sobre soldagem do alumínio, de tal forma que se possa obter as máximas vantagens das propriedades inerentes a este metal.

Este livro foi produzido para servir como um manual básico no ensino de todos os aspectos da soldagem do alumínio para todos os níveis de pessoal industrial, incluindo soldadores, supervisores, instrutores, projetistas, engenheiros de soldagem e sua gerência.

Soldar, como tudo na vida, requer vivência prática. Para aprender, os soldadores devem soldar, os supervisores devem testar e inspecionar soldas reais, os engenheiros devem estabelecer práticas de trabalho e os projetistas devem resolver problemas reais de projeto de juntas soldadas. Este livro contém a teoria básica e encaminha o trabalho prático, fornecendo instruções adequadas para o pessoal envolvido com a produção de componentes soldados. Particular atenção é dada aos processos de soldagem por arco elétrico sob atmosfera inerte MIG e TIG que são, de longe, os processos mais utilizados em todo o mundo. E nossa intenção, num futuro próximo, produzir e divulgar outros processos cuja aplicação prática é ainda restrita em nosso pais.

Apresentamos este livro com a esperança de que ele possa esclarecer muitas de suas dúvidas, permitir a você produzir componentes soldados de alta qualidade ao menor custo e lhe dar uma idéia a respeito de que realmente deve ser feito para solidar o alumínio Alcan.

Para maiores esclarecimentos, utilize nossos serviços de assistência ao cliente: (011) 446-8271 e 446-8039. Atenciosamente,

Alcan Alumínio do Brasil S/A

Prefácio

CAPÍTULO 1

Alumínio e suas Ligas

Perfis Extrudados

Neste capítulo as propriedades físicas, químicas e mecânicas mais importantes do alumínio e suas ligas são relacionadas e discutidas, bem como realçada a influência de cada uma delas na soldabilidade do metal. A Tabela 1, na página 1.4, mostra de maneira comparativa algumas propriedades físicas do alumínio, cobre, aço, aço inoxidável, latão e magnésio.

• Densidade A densidade é a mais conhecida das características físicas do alumínio e a mais interessante do ponto de vista de engenharia. Como mostra a Tabela 1, a densidade do alumínio é a menor de todos os metais listados, exceto o magnésio. Esse baixo valor faz com que o alumínio possa competir com outros metais, em base de peso, mesmo quando estes apresentam melhores propriedades em base volumétrica. A menor densidade do alumínio, quando comparada com a do aço (cerca de três vezes menor), não tem nenhuma relação direta com a soldagem. Entretanto, a maior facilidade de manuseio das lâminas e subconjuntos antes e após a soldagem é uma vantagem significativa que deve ser levada em consideração.

• Condutividade Elétrica A condutividade elétrica difere de metal para metal e para o alumínio de liga para liga. A Tabela 1 mostra que, para os metais mais comuns, o cobre tem a mais alta condutividade. O alumínio comercialmente puro é o mais próximo, com 60% do valor do padrão internacional do cobre (IACS). Ainda assim, apesar de um condutor de alumínio precisar ter 1,67 vezes da área da secção transversal de um condutor equivalente de cobre, o seu peso é somente a metade do valor deste último, devido a sua densidade ser aproximadamente um terço se comparada com a do cobre. Este é um exemplo de que modo duas propriedades - baixa densidade e alta condutividade -proporcionam ao alumínio uma vantagem sobre outros materiais, e explica a razão do uso crescente do alumínio nos setores de transmissão e distribuição de energia elétrica. A condutividade elétrica tem pouca influência na soldagem por fusão. Entretanto, é uma propriedade muito importante para os materiais que são soldados por resistência. A resistência oferecida ao fluxo de corrente de soldagem gera calor e este último é importante para se atingir o ponto de fusão do metal e promover a união. Quanto maior a condutividade elétrica do alumínio, correntes maiores serão necessárias para produzir o mesmo efeito de aquecimento em comparação com o aço. Conseqüentemen- te, para a soldagem de secções similares, os equipamentos de solda por resistência para o alumínio precisam ter capacidade de energia útil “out put” muito maior do que aqueles que são normalmente utilizados para o aço.

• Condutividade Térmica Também é uma das mais altas encontradas entre os metais. A Tabela 1 mostra que a condutividade térmica do alumínio é metade em relação à do cobre e aproximadamente cinco vezes a do aço. O efeito desta propriedade na soldagem é muito importante e é discutida mais adiante sob o título “Soldabilidade”.

• Ponto de Fusão O ponto de fusão do alumínio é 660oC, mas torna-se menor quando elementos de liga são adicionados. A Tabela 1 mostra a comparação entre os pontos de fusão dos materiais usuais. O efeito desta propriedade na soldabilidade é discutido a seguir sob o título “Soldabilidade”.

• Módulo de Elasticidade O módulo de elasticidade é determinado pela força necessária para produzir uma dada deformação não permanente em um material (regime elástico). Define-se como sendo a razão da tensão por unidade de deformação. A Tabela 1 mostra que o módulo de elasticidade do aço é três vezes maior que o do alumínio. A experiência tem demonstrado que muitas pessoas supõem que tal razão 3:1 requer também uma razão 3:1 de espessura para igual flexão. Entretanto, a flexão não é uma razão direta do módulo de elasticidade, mas precisamente é uma função inversa do momento de inércia (I) multiplicado pelo módulo de elasticidade (E), nas várias fórmulas para o cálculo da flexão. Em uma chapa plana, por exemplo, esta razão 3:1 requer que o valor de I seja três vezes maior para manter igual a flexão quando sobre um certo recorte de chapa aplica-se um dado peso. Uma vez que o momento de inércia de um recorte de chapa plana é calculado pela expressão Wt3: 12, onde t é a espessura do material e W a largura da chapa, é necessário aumentar a espessura da chapa pela raiz cúbica de 3. O peso de uma chapa de alumínio requerido para igualar a sua rigidez com uma de aço é (1 : 2,8). 1,442, que equivale a 51% do peso da de aço.

CAPÍTULO 1 Alumínio e suas ligas

• Coeficiente de Expansão Linear O coeficiente de expansão linear de um dado material é uma medida da variação do seu comprimento com a variação da sua temperatura. Define-se como o acréscimo de comprimento verificado por um determinado material para cada elevação no grau de temperatura. Como fusão o alumínio, sem primeiro remover o filme de óxido, resulta na fusão do metal bem antes de o óxido fundir-se e a coalescência pode não ocorrer. Além disso, a formação de uma nova camada durante a soldagem deve ser evitada quando pretende-se produzir soldas a níveis satisfatórios. Na soldagem a arco metálico e na brasagem isto se realiza por meio do fluxo. Nos processos de soldagem a arco metálico com proteção de gás inerte, o óxido é removido pela ação do arco elétrico e a formação

Como a maioria dos metais, o alumínio perde resistência em temperaturas elevadas. Muitas aplicações são projetadas com base nas propriedades das ligas em temperatura ambiente, embora alguns códigos, tal como Seção VIII do ASME, reduzam os valores de tensões admissíveis de projeto com o aumento da temperatura. Em baixas temperaturas a resistência do alumínio aumenta sem perda de ductilidade, ou seja, a sua tenacidade não diminui com o abaixamento da temperatura; sendo esta a razão do seu uso cada vez mais crescente em aplicações criogênicas. O efeito das características do alumínio sobre a soldagem e, o inverso, o efeito da soldagem sobre suas propriedades serão tratados em detalhes no desenvolver deste manual.

mostra a Tabela 1, o coeficiente de expansão linear do alumínio é aproximadamente duas vezes o do aço. O efeito desta propriedade na soldagem do alumínio é discutido no parágrafo sob o título “Soldabilidade”.

• Calor Específico O calor específico de um material é uma medida da quantidade de calor requerida para elevar sua temperatura. Define-se como a quantidade de calor necessária para produzir um dado aumento de temperatura em um dado peso de um material comparado com a quantidade de calor requerida para produzir a mesma variação de temperatura no mesmo peso de água. A Tabela 1 fornece o calor específico do alumínio e de outros materiais. O calor específico é uma propriedade dos materiais importante do ponto de vista da soldagem e é discutida mais adiante sob o tema “Soldabilidade”.

• Calor Latente de Fusão O calor latente de fusão é o calor absorvido quando uma substância passa do estado sólido para o estado líquido sem acréscimo na temperatura. No alumínio, o calor latente é relativamente pequeno comparado a outros fatores e seu efeito sobre a soldagem por fusão do alumínio é usualmente desconsiderado.

É característica do alumínio e suas ligas, a formação natural de um filme de óxido (Al2O3 ) sobre a sua superfí- cie. A espessura do óxido logo no início de sua formação é cerca de 15 Å (1,5 m), mas a taxa de crescimento subseqüente decresce de modo que a espessura de óxido normal fica em torno de 25 - 50 Å (2,5 - 5,0 m). Embora a camada de óxido seja extremamente fina, ela é suficiente para proteger o metal contra o ataque dos mais diversos meios corrosivos. Isto justifica a excelente resistência à corrosão apresentada pelo alumínio e suas ligas. E essa resistência pode ser aumentada por meio da anodização, que é um crescimento artificial (por meios eletroquímicos) dessa camada de óxido. O filme de óxido é tenaz, aderente, impermeável e funde somente a 2052OC (cerca de três vezes a temperatura de fusão do alumínio). Isto significa que tentar soldar por de um novo filme é evitada pela ação do campo de gás protetor. O óxido de alumínio possui ainda outras propriedades importantes, tais como: • O óxido é muito duro, sendo o material de maior dureza depois do diamante. Por esta razão, óxido de alumínio é normalmente empregado como matéria-prima abrasiva na fabricação de rebolos de esmeril. • O óxido é muito duro, sendo o material de maior dureza depois do diamante. Por esta razão, o óxido de alumínio é normalmente empregado como matéria-prima abrasiva na fabricação de rebolos de esmeril. sejam removidos totalmente depois da soldagem. A maior preferência pelos processos de soldagem a arco protegido com gás inerte resulta da sua capacidade de remover o óxido sem o uso de fluxos. • A superfície do óxido de alumínio é bem porosa, possibilitando a retenção de umidade ou contaminantes os quais podem ocasionar porosidade na solda. Isto é muito comum nas ligas contendo magnésio, porque o óxido de magnésio ou de magnésio-alumínio se hidrata com facilidade. Então, é prática usual remover o óxido da superfície do metal, com uma escova, somente momentos antes da soldagem. • O óxido é um isolante elétrico. Espessuras de óxido normais não são suficientes para impedir a abertura do arco elétrico de soldagem. O mesmo não acontece com o material que foi anodizado cuja espessura do filme de óxido impede a abertura do arco de soldagem.

O alumínio puro é um metal que apresenta uma resistência mecânica relativamente baixa, mas ductilidade elevada. Entretanto, por meio da adição de um ou mais elementos de liga, a sua resistência pode ser substancialmente aumentada, embora mantenha valores de ductilidade bastante aceitáveis.

CAPÍTULO 1 Alumínio e suas ligas

Com a finalidade de melhor compreensão dos efeitos das propriedades físicas na soldabilidade do alumínio, uma comparação com aço será demonstrada. A condutividade térmica exerce uma grande influência na soldabilidade, pois ela é quase cinco vezes maior no alumínio do que no aço. Isto significa que o alumínio necessita de um fornecimento de calor cerca de cinco vezes maior do que o requerido para o aço, para uma mesma massa elevar sua temperatura localmente. Na prática, isto significa o uso de uma fonte de calor com maior intensidade para que a soldagem seja bem sucedida. Numa primeira análise, devido ao ponto de fusão do alumínio ser menor do que o do aço, pode parecer que o calor requerido para soldar o alumínio é menor do que o requerido para soldar o aço. Entretanto, a alta condutividade térmica do alumínio compensa esta diferença entre as temperaturas de fusão; e, de fato, o alumínio necessita de pelo menos tanto quanto ou provavelmente mais calor do que o aço para ser soldado. A alta condutividade térmica, o alto coeficiente de expansão linear e a necessidade de maior aporte de calor poderão causar consideráveis distorções durante a soldagem, se não forem utilizadas as velocidades de trabalhos mais altas possíveis quando da soldagem do alumínio com fontes de calor mais intensas. Uma vantagem da alta condutividade térmica do alumínio, sob o ponto de vista do soldador, é que ela proporciona uma rápida solidificação da poça de solda, tornando a soldagem do alumínio mais rápida que a do aço.

OUTRAS PROPRIEDADES •Antimagnética

O alumínio e suas ligas são antimagnéticos para a maioria dos fins práticos. O metal é levemente paramagnético, acusando efeitos muito fracos em comparação com o feno, quando ambos se colocam em fortes campos magnéticos (tal característica é importantíssima em pontes de comando de navios).

• Antifagulhante

O alumínio praticamente não desprende fagulhas quando atritado ou golpeado por objetos duros. Sua aplicação é fundamental em lugares onde uma fagulha acidental poderia ser desastrosa, como, por exemplo, em ambientes explosivos ou altamente inflamáveis.

• Refletividade

A refletividade do alumínio pode chegar a 90% atuando em um largo espectro de comprimentos de onda, desde radiação ultravioleta, passando pelo espectro visível, infravermelho, calor, até ondas de rádio e radar. Daí sua grande aplicação em luminárias e refletores de luz e calor (os espelhos dos grandes telescópios são revestidos com um filme de alumínio coloidal). O alumínio pode atuar como blindagem de calor quando a sua transmissão é feita por radiação (exemplo disso são as telhas de alumínio que refletem o calor do sol, mantendo a temperatura baixa no interior dos edifícios).

• Compostos de Reação

Os produtos de reação do alumínio são geralmente atóxicos e incolores, possibilitando o uso do metal em contato com alimentos, remédios e no processamento de tintas e fibras sintéticas.

CAPÍTULO 1 Alumínio e suas ligas

CAPÍTULO 1 Alumínio e suas ligas

TABELA 1

PROPRIEDADESSI ALUMÍNIO COBRE BRONZE 65/35 AÇO AÇO INOX-304 MAGNÉSIO
78801740
238

16,2 X 1025,8 X 10

-372

200X10 45X10

7800
10

12,6 X 10

272
1350
DensidadeKG/m270089258430
a25C
Linear

Coeficiente de Expansão 1/ºC23,6 X IO16,5 X 1020,3 X 10

0 - 100C

Calor Específico Médio J / (Kg.C)940376368

Ponto de Fusão C6601083930
E

Calor Latente de Fusão KJ / Kg388212- Módulo de Elasticidade, MPa69 X 10110 X 10103 X 10

CAPÍTULO 2

Classificação das Ligas de Alumínio

(Parte 1 de 10)

Comentários